發(fā)布日期：2019-03-19
撰文| 饒子和 結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士，南開(kāi)大學(xué)前校長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所原所長(zhǎng)，清華大學(xué)教授
生命具有廣闊的時(shí)間和空間的尺度，從時(shí)間維度上，須臾一瞬，歷經(jīng)飛秒（fs）尺度的原子反應(yīng)（1fs=10^-15s），到人壽百年，橫跨數(shù)十個(gè)數(shù)量級(jí)。從空間維度上，從原子尺寸Å（1Å=10^-10m）到人體身高平均一米七，我們正走在逼近認(rèn)知尺度極限的探索道路上。作為結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究者，我們希望從微觀的原子水平到宏觀的個(gè)體尺度上，去窺探生命的奧秘，也必將伴隨著無(wú)數(shù)荊棘和挑戰(zhàn)。
無(wú)論探測(cè)分子，細(xì)胞和個(gè)體結(jié)構(gòu)，都需要很先進(jìn)的手段和技術(shù)。生物學(xué)跟物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、工程技術(shù)等交叉學(xué)科的緊密配合突破了現(xiàn)有的瓶頸，迎來(lái)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)長(zhǎng)足的發(fā)展，回答了許多困擾已久的科學(xué)問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，過(guò)去對(duì)它進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，現(xiàn)在又有人工智能或者叫大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，希望有一天能做到用于電子虛擬人體，這是整個(gè)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的大方向。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)的大方向：實(shí)現(xiàn)電子虛擬人體
我?guī)ьI(lǐng)的課題組做尺度比較小的東西，包括病毒病原體、新發(fā)再發(fā)傳染病病原體的研究。我們研究組主要在這個(gè)領(lǐng)域里面進(jìn)行研究，我們團(tuán)隊(duì)很年輕，2018年研究組成果出現(xiàn)井噴，包括 2篇Science，和許文清教授合作1篇Nature，以及19年剛剛在線發(fā)表的Cell文章。這些工作積累了很長(zhǎng)時(shí)間，湊巧到去年發(fā)表了，這些成果都是屬于這批年輕人的。
病毒有三個(gè)科學(xué)問(wèn)題：
第一個(gè)科學(xué)問(wèn)題是病毒為代表的病原體，如何能夠跟宿主細(xì)胞的受體識(shí)別并相互作用，然后入侵宿主細(xì)胞。
第二個(gè)科學(xué)問(wèn)題是轉(zhuǎn)錄與復(fù)制。病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，將其基因組釋放到宿主細(xì)胞里面，病毒基因組如何跟宿主基因組整合，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)錄復(fù)制。這個(gè)工作我們是從非典事件開(kāi)始，以冠狀病毒為研究體系，做了深入的研究。
第三個(gè)問(wèn)題是病毒在宿主細(xì)胞里面進(jìn)行轉(zhuǎn)錄復(fù)制之后，如何裝配起來(lái)形成一個(gè)病毒顆粒，然后怎么釋放出去的？
有關(guān)病毒的三個(gè)科學(xué)問(wèn)題我今天給大家講第三個(gè)問(wèn)題，病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制以后如何裝配的？
以皰疹病毒為例，過(guò)去十幾年我們實(shí)驗(yàn)室解析了二三十個(gè)完整病毒的原子水平結(jié)構(gòu)，不光有病毒的結(jié)構(gòu)，還有病毒和受體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，病毒和抗體的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)讓我們從原子水平上對(duì)病毒的作用機(jī)制有一定的了解，為進(jìn)一步研究它的作用機(jī)制和藥物的開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
那么，皰疹病毒的衣殼是什么樣的結(jié)構(gòu)？它的Architecture（構(gòu)造）是什么樣的？
大家知道皰疹病毒、水痘、口腔皰疹、帶狀皰疹，這些都是跟人們生活密切相關(guān)的、令人煩惱的病毒。病毒有兩種狀態(tài)，一種叫裂解期，還有一種叫潛伏期。病毒侵入人體以后，這兩種狀態(tài)都有，免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)出問(wèn)題的時(shí)候，嘴上或者身體其他部位長(zhǎng)出皰疹，這個(gè)時(shí)候就是活躍期。狀態(tài)好它就消下去了，這就是潛伏期。正因?yàn)樗鼤?huì)潛伏，所以很難根治，往往人們得了一次皰疹病毒以后，它就可能跟你一輩子。在國(guó)際上很多很多研究組，都在研究各式各樣的皰疹病毒，皰疹病毒研究隊(duì)伍非常之大，但是到現(xiàn)在還沒(méi)有根治皰疹的藥。
皰疹病毒從結(jié)構(gòu)水平上來(lái)講比較特殊，它特別大，直徑超過(guò)200納米。結(jié)構(gòu)有四層。如下圖：
皰疹病毒結(jié)構(gòu)外面一層是帶有糖蛋白的囊膜。
第二層是蛋白層，叫Tegument，它有Outer Tegument（外部的），還有Inner Tegument（內(nèi)部的），里面相當(dāng)復(fù)雜。
第三層，綠顏色是比較均一的正二十面體，有一個(gè)通道，這個(gè)通道叫Portal，是基因組進(jìn)出的地方，原則上來(lái)講，皰疹病毒不是一個(gè)嚴(yán)格的正二十面體，而是一個(gè)帶有瓶口的正二十面體。
第四層是雙鏈的DNA基因組。
過(guò)去的6年，由于冷凍電鏡技術(shù)的突破，人們能夠從原子水平上解析很多以前無(wú)法解決的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，大家看到這一系列的結(jié)構(gòu)，一直到Dengue Virus（登革熱病毒）這么大的結(jié)構(gòu)都在原子水平上得到解析。但像皰疹病毒這么大的病毒，由于電鏡技術(shù)的局限，還沒(méi)有辦法做到，我們研究組在計(jì)算方法的改進(jìn)，總算解析了第一個(gè)這么大尺寸的皰疹病毒原子分辨率結(jié)構(gòu)，這個(gè)工作去年4月份發(fā)表在Science上。
培養(yǎng)皰疹病毒，分離純化出來(lái)后發(fā)現(xiàn)有三種形狀的顆粒，一種顆粒叫A顆粒，是空的，里面沒(méi)有基因組，B顆粒也是空的，也沒(méi)有基因組，但是有一點(diǎn)支架蛋白在里面。C顆粒是真正具有感染能力的，帶有完整基因組的顆粒。從尺寸上看，A、B、C三種顆粒幾乎一樣，差別就在于里面有沒(méi)有基因組，C顆粒在表面上還多了一種重要的復(fù)合物。
我們通過(guò)冷凍電鏡解析了A,B,C三種顆粒的結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的比對(duì)和分析，A和B顆粒衣殼層結(jié)構(gòu)相似，C顆粒包含有序排列的基因組，除此以外C顆粒的五次軸附近結(jié)合了CVSC復(fù)合物。B顆粒，有一個(gè)特殊的通道叫Portal，里面沒(méi)有基因組，通道像瓶子一樣，里面是空的，沒(méi)有被封閉上；C顆粒充滿基因組，portal被UL25封閉。我們解析了B型顆粒結(jié)構(gòu)，是正二十面體的結(jié)構(gòu)，由4000多個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成的大球，C顆粒多一個(gè)60個(gè)Copy的CVSC復(fù)合物。如下圖。
C顆粒結(jié)構(gòu)這個(gè)4000多個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成的球，它們是如何高效有序地裝配的？
主要靠VP5蛋白。VP5蛋白有1000多個(gè)氨基酸殘基，主要通過(guò)下部的結(jié)構(gòu)構(gòu)象的變化相互作用組裝成穩(wěn)定的核衣殼結(jié)構(gòu)，其組成核衣殼結(jié)構(gòu)主要靠?jī)蓚€(gè)手（結(jié)構(gòu)域），這個(gè)紅色標(biāo)記的結(jié)構(gòu)域叫N-lasso，綠色標(biāo)記的結(jié)構(gòu)域叫dimerization domain（二聚體化功能域）。這兩只手為了把蛋白裝成核衣殼，底部結(jié)構(gòu)域發(fā)生了顯著的變化以適應(yīng)局部的組裝微環(huán)境的差異，進(jìn)而組裝成一個(gè)近似二十面體結(jié)構(gòu)，而上部的結(jié)構(gòu)域幾乎沒(méi)有變化。
VP5蛋白下面這個(gè)結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像故宮角樓的建筑，叫大木構(gòu)架斗拱結(jié)構(gòu)。
實(shí)際上是球的底部，它是由這些結(jié)構(gòu)組成的。這是一個(gè)五聚體，六聚體，這是一個(gè)C型的六聚體，它們之間是怎樣構(gòu)造的？首先看一下五聚體之間怎么構(gòu)造的，再看六聚體怎么構(gòu)造的，再看五聚體和六聚體之間怎么構(gòu)造的，再看六聚體和六聚體之間的結(jié)構(gòu)是怎么樣的。然后再分析一下三個(gè)六聚體之間是怎么構(gòu)建的。
大木構(gòu)架斗拱結(jié)構(gòu)看VP5底部?jī)蓚€(gè)手怎么抓的，再看看其它的細(xì)部，這個(gè)是五聚體之間的構(gòu)造，側(cè)過(guò)來(lái)看β折疊像船子一樣都排起來(lái)，然后是六聚體之間的構(gòu)造，這就是為什么說(shuō)它是architecture（建筑），它確確實(shí)實(shí)像4000個(gè)單元的房子一樣。
五聚體和六聚體之間的兩個(gè)平行的α螺旋，整個(gè)排下來(lái)，再側(cè)過(guò)來(lái)看，這種構(gòu)造是非常精細(xì)的，六聚體和六聚體之間的構(gòu)造，除了這個(gè)還有一堆α——helix cluster (α螺旋簇)，還有對(duì)稱的β折疊，再看三個(gè)六聚體之間是怎么結(jié)合的，實(shí)際上中間的洞里面還可以放一個(gè)三聚體在里面。
球底部蛋白亞基組裝再回到瓶口，要看病毒口的結(jié)構(gòu)很難，它只占整個(gè)病毒球小于1%的面積，要解出它的原子水平的結(jié)構(gòu)非常有挑戰(zhàn)性。因?yàn)樗鼪](méi)有對(duì)稱性，挑戰(zhàn)性就非常大。不管怎么樣，我們用了Asymmetric Reconstructions的方法解析了這個(gè)結(jié)構(gòu)。這個(gè)方法是怎么做的？這屬于很細(xì)節(jié)的事情了，這里就不展開(kāi)講解了。根據(jù)解析出來(lái)的結(jié)構(gòu)作為藥物靶點(diǎn)，可以來(lái)設(shè)計(jì)抗病毒的藥物，由于數(shù)據(jù)還未發(fā)表，就先不說(shuō)解析過(guò)程了。
饒子和院士的博士生們這項(xiàng)工作是我們一批年輕的學(xué)生做出的，王祥喜博士是領(lǐng)頭的，袁帥解析了B顆粒，王佳靈解析C顆粒。楊云翔和楊盼解析了末端酶，王男解析了Portal，這些都是博士學(xué)生。
注：文章整理于饒子和在墨子沙龍的演講，略有刪減
來(lái)源：科學(xué)大家
